旋转机翼飞机旋翼模式前飞状态干扰气动特性

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1、航空学报ActaAeronauticaelAstrOnautIcaSinicaAug．252016Vol37No，82498—2506ISSN1000—6893ON11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaaedu．CRhkxb@buaaedu．cn旋转机翼飞机旋翼模式前飞状态干扰气动特性孙威，高正红*，姜杰出西北工业大学航空学院，西安710072摘要：和传统直升机相比，旋转机翼(CRW)飞机在旋翼模式前飞时各部件之间存在更为严重的气动干扰。为了获得旋转机翼／机身／鸭翼／平尾之间的非定常气动干扰规律，基于运动嵌套网格技术，通过求解三维非定常雷诺平均Navier-S

2、tokes(URANS)方程，建立了旋翼前飞流场数值模拟方法。首先对传统直升机旋翼／机身干扰模型进行了计算，验证了方法的可靠性，然后对某旋转机翼飞机全机在旋翼模式前飞状态下的非定常流场进行了数值模拟，并对各个气动部件上的非定常气动力和力矩的变化进行了分析。结果表明：飞机在旋翼模式前飞时，机身部件对旋转机翼的干扰较弱，在经过机身上方时拉力峰值仅略有增加；旋转机翼对鸭翼和垂尾干扰较弱，对机身和平尾干扰较强，随着前飞速度增大，旋转机翼对平尾的干扰会产生较大的升力损失和抬头力矩，需要引起重视。计算结果为该类飞行器的总体综合设计提供了参考。关键词：旋转机翼飞机；非定常流场；气动干

3、扰；嵌套网格；数值模拟中图分类号：V211．4文献标志码：A文章编号：1000—6893(2016)08—2498—09旋转机翼(CanardRotorWing，CRW)飞机是一种先进的高速直升机方案，其最显著特点是具有一副既可以高速旋转作为旋翼，又可以锁定作为同定翼的旋转机翼。波音公司的X一50A“蜻蜓”无人机为该类飞行器的代表，由于旋转机翼锁定之后飞机完全转换为固定翼飞机，旋翼的速度限制不复存在，飞机可以实现真正的高速飞行，应用前景较为广阔_1⋯。但是，CRW飞机在旋翼模式下的气动特性与传统直升机有很大差异，主要表现在以下3个方面：①由于要兼顾旋翼和固定翼的使用要求

4、，旋转机翼采用前后对称的椭圆翼型。椭圆翼型的钝后缘使得桨叶即使工作在小的总距角下后缘也会存在非定常流动分离口。43；②由于要考虑固定翼模式的性能要求，旋转机翼设计的比传统直升机桨叶要宽大得多，高速旋转的“机翼”会产生更复杂的涡尾迹。这些涡环绕在机身周围，引起机身气动力的波动，对飞机的操纵性、稳特性和振动水平产生深远影响；③由于要考虑过渡模式的安全和平稳性，CRW飞机设计有较大尺寸的鸭翼与平尾用于升力转移。在旋翼模式下，这些部件对下洗气流的遮挡使得旋翼／机身之间气动干扰更强∞]。正是这些强非定常气动特性使得CRW飞机不易控制，著名的X一50A“蜻蜓”的坠机事故E印也证实了

5、这一点。总而言之，CRW方案要进入实用阶段还需要开展大量的研究，而准确模拟CRW飞机的流场，研究旋转机翼／鸭翼／机身／平尾之间的非定常气动干扰特性具有重要的理论价值和实际意义。近年来，除了波音公司针对X一50A模型作了试验研究外[73，大部分文献以数值计算研究为主[8]。国际上，Saeid等[91曾使用动量源方法对收稿日期：2016-01-13；退修日期：2016—02．17；录用日期：2016—03—14；网络出版时间：2016—03—2414：12网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929V．20160324．1412．004．h

6、tmI基金项目：国家自然科学基金(11372254)*通讯作者Tel：029—88495971E-mail：zgao@nwpueducn引用格式：孙威，高正红．姜杰出．旋转规翼飞机旋翼模式前飞状态干扰气动特性[J二航空学报，2016，37(8)：2498-2506SUNW，GAOZH。JIANGJCInteractiveaerodynamiccharacteristicsofcanardrotorwingaircraftinhelicopter，0rwardflight￡Jj．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2016，37(8)：

7、2498-2506孙威，等：旋转机翼飞机旋翼模式前飞状态干扰气动特性2499CRW飞机近地悬停时的非定常气动特性进行了研究，但由于动量源方法将旋翼简化为无限薄的圆盘m]，无法得到桨叶表面的流动细节。很显然，对这类特殊的飞行器，只能通过运动嵌套网格方法求解非定常流场才能准确模拟。中国的I。i和MaEll3采用运动嵌套网格对CRW飞机的干扰流场进行了模拟，但是对模型进行了过度简化：忽略全部机身，并只考虑了悬停状态。由于X一50A“蜻蜓”无人机的详尽几何参数并未公布，根据仅有的大概尺寸无法对其进行准确建模，本文选取课题组的CRW无人验证机为研究